徐佳豪，汪西虎，董振斌，张金洋
(1.西安邮电大学 电子工程学院，西安 710121；
2.上海电子线路智能保护工程技术研究中心，上海 201202；
3.上海维安电子有限公司，上海 201202)
近年来，负载开关在电源管理中发挥着越来越重要的作用[1]。限流保护电路作为负载芯片的核心，影响着后续系统的工作状态，因此，电源管理芯片对内部限流保护电路提出了很高的设计要求[2-3]。
当负载出现短路的时候，电源管理芯片会流过很大的电流，瞬间电流可能达到10A以上，会严重影响芯片的正常工作，将芯片的输出电流限制在一个较低的水平显得尤为重要[4]。随着现代电子产品种类的急剧增加，电源管理芯片的应用场合也随之增加，传统限流电路的限流范围较窄，已经不能满足客户的需求[5-6]。文献[7]尽管加入了短路保护电路，但是短路输出波形是振荡的，适用范围窄。文献[8]虽然可通过外接电阻调节限流值，但其应用范围也不大。鉴于此，本文提出一种限流值可调的双门限限流保护方法，通过增加限流值设置短路保护电路，既实现了限流值的宽范围调节，又可以保证短路情况下对芯片的保护，适应范围更广。
传统限流电路利用电阻进行输出电流的采样，其结构如图1所示。图1中，R1与R2阻值相同，M2、M5、M8的尺寸相同，流过M3与M6的电流相同,M3与M6尺寸相同。电路处于过流保护状态时，根据饱和区电流公式可知：当M3与M6的栅压相同、流过M3与M6的电流相同时，M3与M6的源极电压也相同；
因为R1与R2的阻值相同，流过的电流也相同，所以A点电压等于B点电压[9]。可得限流值IOUT(LIM)表达式为
图1 传统限流电路结构Fig.1 Traditional current limiting circuit structure
(1)
(1)式中：IM3为流过M3的电流；
Rsense为采样电阻。
当电路有过流出现时，流过FET的电流增大，导致A点电压降低。因为流过M6的电流不变，流过R2的电流也不变，所以R2上的压差也不变。当A点电压降低时，M6的源极电压会减小。M6处于饱和区，根据饱和区电流公式可推得：当M6的电流不变，M6源极电压减小时，M6栅极电压也减小。因为流过M3与R3的电流不变，B点电压不变，M3的源极电压也不变，M3的栅极电压也减小，所以导致M3的漏极电压增大，M9的漏极电压降低，FET的栅极电压减小，IOUT减小，实现限流的目的。然而利用采样电阻进行采样，采样电阻上会有电压损耗，会降低芯片的效率，增大导通电阻。传统限流电路限流值单一，不能应用于多种场合[10-11]。因此，为了有效提高限流保护电路的效率，本文设计了一款新型限流保护电路。
基于BCD工艺，本文设计了一种双门限新型限流保护电路，其结构框图如图2所示。
图2 新型限流电路结构Fig.2 Diagram of new current limiting circuit structure
本文设计的限流电路结构可实现过流保护和短路保护两种功能，电路由功率器件、VOUT判断电路、短路保护采样电路、过流保护采样电路、限流值设置电路、电流比较器电路组成。图2中，RLIM为外接电阻，限流值设置电路的输出电流可以根据不同的RLIM进行调整，由此可以产生不同的参考电流。VOUT判断模块进行判断，当VOUT大于2 V时，过流保护电流采样电路工作；
当VOUT小于等于2 V时，短路保护电流采样电路工作。这两种电路都通过采样管进行采样，采样管将功率管电流按一定比例缩小，比较采样的电流与参考电流的大小，通过电流比较器输出的微小电流拉低功率管的栅极电压，从而起到限流的作用。基于基尔霍夫电流定律设计的电流比较电路，只需用简单的结构就可实现电流的比较，省去了设计电压比较器这一步骤，可节省面积。与传统的限流保护电路相比，本文电路具有以下特点：①限流值可调，可通过改变RLIM阻值适应不同的应用场合；
②通过功率管中一定比例的采样管对电流值进行采样，这样不增加导通电阻，可以提高电源的效率；
③通过电流比较电路，简化了电路结构。
3.1 限流值设置电路
基于文献[12]中的结构，设计了限流值设置电路，添加可调电阻RLIM来调整限流环路的参考电流。限流值设置电路如图3所示。图3中，VDD为外部电源电压，VP34信号是来自带隙基准源的参考电压，VBIAS为偏置模块产生的偏置，ISET为限流值设置电路的输出电流。M6、M8、M9为开关管，正常工作时栅极均为高电平。
图3 限流值设置电路Fig.3 Current limiting setting circuit
M1为运放提供稳定的尾电流，尾电流为零温度系数电流，确保该电路静态工作点几乎不随温度变化，从而保证了限流值的温漂系数。正常工作时，M6、M8、M9栅极为高电平，M6、M8打开；
R1、R2、R3、M6、M7、M8组成运放的负反馈环路，起到一个钳位的作用，可将A端口处电压钳位在0.34 V；
R3、M7、M8、RLIM构成通路。限流值设置电路输出电流ISET的表达式为
(2)
通过调节RLIM阻值大小可调节该通路电流，从而实现功率管电流的宽范围输出。
3.2 过流限流保护电路
过流限流保护电路如图4所示。图4中，VDD为外部电源电压，VBIAS1与VBIAS2为偏置模块产生的偏置，PUMP为电荷泵的输出信号，FET为功率管。过流保护电路包括过流保护采样与电流比较两部分。
图4 过流限流保护电路Fig.4 Over-current limiting protection circuit
图4中，M3与M5为共源共栅结构，M4与M6也为共源共栅结构，这种结构保证了电流镜像的精度。M10与M8为由VOUT检测电路控制的开关管，FET为功率管，M21为过流保护电路采样管。M1、M2、M3、M4、M5、M6一起组成钳位结构。由于M5、M6的漏电流相同，所以M1与M2的漏电流也相同。M1与M2处在饱和区，由饱和区电流公式可知M1与M2的源端电压相同，起到钳位的作用。M7与M11、M13与M16、M14与M17组成电流镜结构，M7与M11的尺寸之比为3∶56、M13与M16的尺寸之比为32∶1、M14与M17的尺寸之比为1∶1。假设流过M14的电流为ID，则通过镜像关系得到的流过M17的电流值也为ID。由基尔霍夫电流定律可知，如果ID大于ISET，功率管栅极会有一个下拉电流，功率管栅极电压将会减小，最终电流稳定在一个恒定值。
在过流限流状态下，流过M17的电流近似等于ISET，则ID与ISET的关系式为
ID=ISET
(3)
由M7与M11的镜像关系可知流过M7的电流IM7与ISET的关系式为
(4)
M1的电流IM1由偏置模块决定。流过M21的电流为M1、M7、M11的电流之和，则采样管电流ISAM与ISET的关系式为
(5)
FET与采样管M21的尺寸之比为N2∶1，在过流保护状态下，M21与FET都处于饱和区，又由于M21与FET的栅极、源极、漏极均相等，所以它们尺寸之比等于电流之比。将(2)式代入(5)式，再将N2=591.5，VP34=0.34V代入(5)式，则过流限流值公式可简化为
(6)
由(6)式可得：RLIM与过流限流值成反比。
3.3 短路保护电路
短路保护电路如图5所示，短路保护电路中VDD为外部电源电压，VBIAS为偏置模块产生的偏置，PUMP为电荷泵的输出信号。
图5 短路保护电路Fig.5 Short-current protection circuit
图5中，M1、M8给由M2、M3、M4、M5、M7组成的比较器提供尾电流，M9组成比较器的负反馈通路，该负反馈网络可将M2与M3的栅极电压钳位在一个相同的电压值。M6为短路保护电路采样管，M12为开关管，当VOUT小于2V时，M12的栅极电平为高电平。因为M2与M3的栅极电压相同，所以流过R1与R2的电流的关系表达式为
(7)
(7)式中：IR1为流过R1的电流值；
IR2为流过R2的电流值。
假设流过M6的电流为IS，流过M6的电流等于IR1，则IR2与IS的关系式为
(8)
流过R2、M10、M11的电流相同，M10与M11构成镜像电流镜，其尺寸之比为1∶1。M13与M14也构成镜像电流镜，其尺寸之比也为1∶1。M14的电流IM14为
(9)
经过电流比较电路，IM14只要大于ISET，M15就会有电流，拉低功率管电压，从而使输出电流保持稳定。
在短路保护状态，IM14近似等于ISET，假设FET与M6的尺寸之比为N1∶1，则短路限流值ISHORT与ISET的关系式为
(10)
将(2)式带入(10)式，再将N1=591.5，R2/R1=24，VP34=0.34 V代入(1)式与(10)式，则短路限流值公式可简化为
(11)
将(6)式与(11)式比较可得：短路限流值约为过流限流值的3/4。
本文基于0.18 μm BCD工艺，利用Cadence Virtuoso进行仿真，设定负载电容为1 μF。双门限限流电路在RLIM电阻为6.8 KΩ，电源电压为5 V，温度25 ℃时，经过计算得到过流限流值为997 mA，短路保护限流值为720 mA。图6所示为限流值随负载变化的曲线。图6中，过流保护限流值为1 009 mA，短路保护限流值为730 mA，与理论值近似相等。
图6 输出限流值随负载变化曲线(RLIM=6.8 KΩ)Fig.6 Output current varies with the load resistance(RLIM=6.8 KΩ)
当RLIM=6.8 KΩ时，过流保护限流值随电源电压变化曲线如图7所示，可看出最大限流值为1 020 mA，最小限流值为1 007 mA，限流值偏移率约为2%。
图7 过流保护限流值随电源电压变化曲线(RLIM=6.8 KΩ)Fig.7 Overload current limiting value varies with the supply voltage(RLIM=6.8 KΩ)
表1列出温度在-40～125 ℃时，RLIM=6.8 KΩ的输出电流仿真结果，ILIM表示过流时的限流值，ISHORT表示短路时的限流值。
表1 -40～125 ℃温度下的限流值仿真结果(RLIM=6.8 KΩ) Tab.1 Simulation results of current limiting value at-40～125 ℃(RLIM=6.8 KΩ)
过流保护状态下，通过调节RLIM的阻值，可实现过流保护在400～2 500 mA内的限流值调节。过流保护限流值随RLIM变化的曲线如图8所示。
图8 过流保护限流值随RLIM变化曲线Fig.8 Current limiting value of over-current protection varies with RLIM
由图8可知，过流情况下，当RLIM=17 KΩ时，系统输出限流值可达到最小限流值400 mA；
当RLIM=2.7 KΩ时，可达到最大限流值2 500 mA。通过对过流保护电路全范围内进行工艺角仿真表明，本文电路各项指标均达到设计要求。
短路保护限流值随RLIM变化的曲线如图9所示。从图9可以看出，RLIM=17 KΩ时，电路进入到短路保护状态下，系统输出限流值可达到最小限流值267 mA；
RLIM=2.7 KΩ时，可达到最大限流值1 758 mA。通过对短路保护电路全范围内进行工艺角仿真表明，本文电路各项指标均达到设计要求。
图9 短路保护限流值随RLIM变化的曲线Fig.9 Current limiting value of short-current protection varies with RLIM
本文所设计的双门限限流保护电路版图采用0.18 μm BCD工艺完成，电路版图如图10所示，尺寸约为635 μm×1 300 μm。
图11为过流保护限流值随RLIM变化的后仿真图，图12为短路保护限流值随RLIM变化的后仿真图。由图11—图12可以看出：后仿真过流和短路时，分别能实现411～2 509 mA与273～1 762 mA的可调限流输出，此结果比前仿真偏大了一点，其原因是版图中铝线上的电阻会产生压降，会使后仿真采样管源端电压低于前仿值，从而导致后仿限流值大于前仿限流值。
图11 过流保护限流值随RLIM变化曲线(后仿真)Fig.11 Current limiting value of over-current protection varies with RLIM(post simulation)
图12 短路保护限流值随RLIM变化的曲线(后仿真)Fig.12 Current limiting value of short-current protection varies with RLIM(post simulation)
传统限流电路限流范围较窄，只能产生固定限流值，且无法在短路情况下对电路进行保护。本文设计的双门限限流保护电路，可改变外接电阻对限流值进行调节，在系统过流和短路时，分别能实现411～2 509 mA，273～1 762 mA的恒流输出，达到预期的设计指标，可满足限流开关芯片的实际需求。
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